Важнейшие технологические процессы обрабатывающего производства в машиностроении

 

Важнейшими технологическими процессами обрабатывающего производства в машиностроении являются обработка металлов резанием, термическая и химико-термическая обработка, а также окраска и нанесение защитных покрытий, при этом основным исходным сырьем обрабатывающего производства являются заготовки деталей машин, а готовой продукцией – непосредственно детали будущих машин.

Рассмотрим основные методы и параметры указанных процессов.

Обработка металлов резанием (механическая обработка) – это технологический процесс снятия режущим инструментом с поверхности заготовки слоя металла для получения требуемой точности геометрической формы, размеров и качества обработанной поверхности.

Точность обработки и показатель качества обработанной поверхности – шероховатость (чистота) поверхности, устанавливаются стандартом.

Под точностью обработки понимают степень соответствия действительных размеров детали расчетным (номинальным) размерам, указанных в чертеже на изготовление детали. Точность обработки определяется допуском на размер, то есть крайними предельно допустимыми размерами. Допуском называется разность между наибольшим и наименьшим размерами.

Степень точности определяется квалитетом, который определяет величину допуска. Стандартом установлено 19 квалитетов: 01,0,1,2,3 – для измерительного инструмента; 4,5,6 – для сопряжений высшей точности в станкостроении и приборостроении; 7,8,9 – для точных сопряжений в станкостроении, приборостроении, машиностроении; 10,11,12,13 – для сопряжений в машиностроении; 14,15,16,17 – для сопряжений не применяют, а используют для свободных размеров и установления допусков на отливки, поковки, прокат и т.д.

Повышение точности определяет увеличение стоимости обработки, снижение производительности металлорежущего станка и т.д., поэтому установление степени точности должно быть оптимальным.

Эксплуатационные свойства деталей машин, их долговечность и т.п. также зависят от состояния поверхности. В отличие от теоретических поверхностей деталей, изображаемых на чертежах, на реальных поверхностях в процессе обработки всегда имеются неровности различной формы, высоты. Форма, высота, характер расположения и направления неровностей на поверхностях обрабатываемых заготовок зависят от ряда причин: режима обработки, условий охлаждения инструмента, химического состава обрабатываемого материала, типа и состояния оборудования и многих других.

Под шероховатостью поверхности понимается совокупность неровностей с относительно малым шагом на базовой длине. Базовая длина – это длина участка поверхности от 0,01 до 25 мм, используемая для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности. К важнейшим параметрам шероховатости относятся:

Rz – высота неровностей профиля по десяти точкам (Rz=1000…0,025 мкм);

Ra – среднее арифметическое отклонение профиля (Ra=400…0,08 мкм);

Rm – наибольшая высота профиля.

Для осуществления процесса резания необходимо наличие относительных движений между заготовкой и режущим инструментом. Они сообщаются либо инструменту, либо заготовке, либо инструменту и заготовке одновременно.

Процесс резания осуществляется при выполнении рабочего движения (рабочего хода), состоящего из главного движения (движение резания) и движения подачи, которые в современных станках осуществляются, как правило, автоматически. Главное движение позволяет осуществлять процесс резания с образованием стружки, а движение подачи дает возможность вести процесс снятия стружки со всей обрабатываемой поверхности. Используется в процессе резания преимущественно два вида рабочего движения – вращательное и прямолинейное.

В зависимости от характера выполняемых работ и вида режущего инструмента различают следующие технологические методы обработки металлов резанием (рис. 7):

· точение – главное движение (вращательное) сообщается заготовке, а инструменту (резцу) - движение подачи (прямолинейное);

· сверление – главное движение (вращательное) и движение подачи (прямолинейное) сообщаются инструменту (сверлу);

· фрезерование – главное движение (вращательное) сообщается инструменту (фрезе), а заготовке – движение подачи (прямолинейное);

· строгание – главное движение может быть только прямолинейным и сообщается либо инструменту (резцу) при поперечном строгании либо заготовке – при продольном строгании;

· шлифование – главное движение (вращательное), всегда сообщается режущему инструменту (шлифовальному кругу), а движение подачи - детали, которая совершает вращательное или прямолинейное движения (движение подачи может осуществляться также и режущим инструментом одновременно с движением подачи детали).

 

Рис.7. Основные методы обработки резанием

I – главное движение; II – движение подачи

а – точение; б – сверление; в – фрезерование; г – строгание; д - шлифование

 

Перед обработкой заготовки необходимо установить рациональный режим резания, т.е. выбрать скорость резания, подачу и глубину резания.

Скоростью резания называют путь режущего лезвия инструмента относительно вращающейся заготовки в направлении главного движения за единицу времени.

Подачей называют путь, пройденный точкой лезвия относительно вращающейся заготовки в направлении движения подачи за один оборот.

Глубина резания определяется толщиной снимаемого слоя металла, измеренной по перпендикуляру к обработанной поверхности детали, за один рабочий ход инструмента относительно обрабатываемой поверхности.

Правильное выполнение процессов механической обработки зависит от ряда факторов, в числе которых большое значение имеют припуски на обработку.

Припуском на обработку называется слой материала, подлежащий удалению с поверхности заготовки для получения требуемого размера. Различают общий припуск на всю обработку какой-либо поверхности и межоперационный припуск, удаляемый в процессе определенной операции механообработки.

Размер припуска на заготовку зависит от способа ее изготовления и конфигурации, а также от требуемых точности и шероховатости поверхности готовой детали. Правильный выбор размера припуска имеет большое технико-экономическое значение. Завышенные припуски увеличивают расхода конструкционных материалов, электроэнергии, ускоряют износ оборудования, режущего инструмента, увеличивают трудоемкость и стоимость обработки.

В зависимости от вида операции механической обработки, формы заготовки (плоская, круглая цилиндрическая, коническая, фасонная), оборудования выбирают необходимый режущий инструмент, который классифицируют следующим образом:

1. Резцы. Подразделяются:

по виду обработки - на проходные, подрезные, отрезные, расточные, галтельные и фасонные;

по характеру обработки - на обдирочные (черновые), чистовые и для тонкого точения;

по технологическому назначению – на токарные, строгальные, долбежные и т. д.

2. Сверла, которые по конструкции подразделяются:

- на плоские, или перовые;

- цилиндрические, которые бывают спиральными, или винтовыми;

- для глубокого сверления отверстий, длина которых превышает диаметр более чем в 8-10 раз;

- кольцевые (полые) для сверления отверстий диаметром более 100 мм в листовом материале;

- с прямой канавкой для сверления тонких листов, преимущественно латунных;

- центровочные.

3. Зенкеры, которые бывают цилиндрические (цельные и насадные), конические и торцовые.

4. Развертки, которые по конструкции делятся на цилиндрические и конические, а по применению — на машинные и ручные.

5. Фрезы, которые в зависимости от назначения делятся на цилиндрические, торцовые, дисковые, концевые, угловые, шпоночные и фасонные.

6. Протяжки. Они подразделяются по применению:

- для обработки шпоночных пазов - на плоские, цилиндрические, круглые, прямоугольные или с другой формой поперечного сечения;

- для наружного протягивания.

7. Резьбонарезной инструмент для наружной резьбы — резцы и гребенки, круглые плашки (лерки), резьбонарезные головки (радиального и тангенциального типа), плоские (клупповые) плашки, резьбовые фрезы (дисковые и гребенчатые). Кроме того, к резьбо-обрабатывающему инструменту относятся резьбонакатные плашки (роликовые и плоские), с помощью которых наружную резьбу получают без снятия стружки;

для внутренней резьбы — резьбовые резцы и гребенки, метчики, резьбовые концевые фрезы (для нарезания резьб в отверстиях больших диаметров).

8. Зуборезный инструмент, к которому отно­сятся дисковые и пальцевые зуборезные фрезы, червячные фрезы, долбяки, резцы, дисковые и реечные фрезы для обработки конических зубчатых колес, шевера.

9. Абразивный инструмент: шлифовальные круги различной формы, абразивные бруски, головки, сегменты.

Обработка заготовок ведется на металлорежущих станках, обеспечивающих: необ­ходимое усилие резания; регулируемое относительное перемещение инстру­мента и детали в пространстве с требуемой скоростью; жесткое закрепление детали и инструмента, что обеспе­чивает точность размеров и шероховатость обрабатываемых поверхностей.

По технологическому методу обработки станки делят на токарные, сверлильные, фрезерные, шлифовальные и др. По этойсхеме все металлоре­жущие станки разделены на десять групп.

По степени универсальности различают станки универсальные, широко­го применения, специализированные и специальные.

Универсальные станки предназначены для обработки деталей широкой номенклатуры и могут выполнять ряд операций.

Станки широкого примене­ния предназначены для выполнения определенного вида работ для широкого круга заготовок.

Специализированные станки служат для обработки деталей, сходных по конфигурации, но имеющих различные размеры.

Специальные станки предназначены для обработки деталей одного типоразмера.

По степени автоматизации станки различают: с ручным управлением, полуавтоматы, автоматы и станки с программным управлением.

По точности установлено пять классов станков: Н — нормальной, П — повышенной, В — высокой, А — особо высокой, С — особо точные станки.

Рабочими органами станка яв­ляются устройства, обеспечивающие закрепление заготовки и относительное перемещение заготовки и инструмента. У токарного станка это шпиндель с патроном и суппорт.

Для обеспечения высокой производительности и низкой себестоимости продукции в последнее время в механообработке используются особые типы станков, обладающие наряду с автоматическим циклом обработки, способностью быстрой переналадки на изготовление других, значительно отличающихся деталей. Такими станками являются обрабатывающие центры и станки с ЧПУ (подробнее в прогрессивных технологиях).

В машиностроении часто возникают технологические проблемы, связан­ные с обработкой материалов и деталей, форму и состояние поверхностного слоя которых трудно получить традиционными механическими методами. К таким проблемам относится обработка весьма прочных, очень вязких, хрупких материалов, тонкостенных нежестких деталей, пазов и отверстий, имею­щих размеры в несколько микрометров, поверхностей деталей с малой шеро­ховатостью. Подоб­ные проблемы решаются применением специальных методов обработки ме­таллических и неметаллических материалов. Эти методы основаны на использо­вании электрических и магнитных полей; электронных и ионных пучков лу­чей; химической, гидравлической, акустической и световой энергии; энергии взрыва и плазменной струи и др.

Специальные методы обработки успешно дополняют обработку резани­ем, а в отдельных случаях имеют преимущества перед ней. При таких мето­дах обработки силовые нагрузки либо отсутствуют, либо настолько малы, что практически не влияют на суммарную погрешность точности обработки. Методы позволяют не только изменять форму обрабатываемой поверхности заготовки, но и влиять на состояние поверхностного слоя. При этом повы­шаются износостойкие, коррозионные, прочностные и другие эксплуатацион­ные характеристики деталей.

Более подробно специальные методы обработки материалов будут рассмотрены в разделе прогрессивных технологий.

Технологическое оборудование механообрабатывающего производства подразделяется на основное, дополнительное и вспомогательное.

Основное – металлорежущие станки различных типов в зависимости от вида выпускаемой продукции (токарные, сверлильные, фрезерные, строгальные, шлифовальные и др.

Дополнительное – транспортирующие, грузоподъемные и грузонесущие машины и механизмы (конвейеры различных типов, мостовые краны, кран-балки, электротали и др.), станки для заточки инструментов, а также робототехнические комплексы, предназначенные для обслуживания металлорежущих станков.

Вспомогательное – оборудование для очистки воздуха, удаления газов в механообрабатывающих цехах (вентиляторы, воздуходувки, вытяжные зонты и др.)

Свойства конструкционных материалов, используемых в машиностроении, зависят главным образом от их состава и структуры. Основным способом, позволяющим изменять структуру материалов, а, следовательно, и их свойства при неизменном химическом составе, является термическая обработка.

Технологический процесс термической обработки представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, проводимых в определенной последовательности с целью изменения внутреннего строения материалов (преимущественно металлических сплавов) и получения необходимых свойств.

В основе термической обработки лежит явление аллотропии (полиморфизма), т.е. способность некоторых материалов (в частности, сплавов на основе железа) иметь несколько кристаллических форм при различных условиях их образования (в частности, изменении температуры).

На результат термической обработки (требуемые свойства материала) оказывают влияние следующие факторы (режимы обработки):

- время (скорость) нагрева;

- температура нагрева;

- время (продолжительность) выдержки при требуемой температуре;

- время (скорость) охлаждения.

Термическая обработка осуществляется в специальных печах. По источнику используемой тепловой энергии печи могут быть на жидком, газообразном топливе и электрические. Электрические печи имеют преимущества перед другими видами печей:

· легко регулируется температура;

· большая устойчивость огнеупорной кладки благодаря отсутствию очагов горения;

· отсутствие дымовых труб и газообразных выбросов;

· большая безопасность в пожарном отношении и гигиеничность;

· высокий коэффициент полезного действия;

· компактность конструкции.

В зависимости от режимов термической обработки различают следующие ее разновидности:

Отжиг – процесс термической обработки, заключающийся в нагреве материала выше температуры, при которой происходят изменения в его кристаллической решетке, выдержке и очень медленном охлаждении вместе с печью.

В результате отжига в детали снимаются внутренние напряжения, повышается пластичность, понижается твердость, улучшается обрабатываемость резанием.

Нормализация - процесс термической обработки, заключающийся в нагреве материала выше температуры, при которой происходят изменения в его кристаллической решетке, выдержке и охлаждении на воздухе.

Вследствие более быстрого охлаждения детали имеют более высокую твердость и прочность, чем при отжиге. Очевидно, что процесс нормализации более производителен, чем отжиг, но требует дополнительных затрат на оборудование мест, где остывают детали, вынутые из печи.

Закалка - процесс термической обработки, заключающийся в нагреве материала выше температуры, при которой происходят изменения в его кристаллической решетке, выдержке и очень быстром охлаждении в специальных закалочных средах (воде, минеральном масле, водных растворах солей и др.).

Вследствие очень быстрого охлаждения достигается максимальное увеличение прочности и твердости деталей, однако при этом в детали возникают внутренние напряжения, которые способствуют ее короблению и даже возникновению трещин.

В машиностроении широко используется также поверхностная закалка, когда достигается высокая прочность и твердость поверхностных слоев детали при пластичной сердцевине.

Отпуск – процесс термической обработки, заключающийся в нагреве материала ниже температуры, при которой происходят изменения в его кристаллической решетке, выдержке и охлаждении на воздухе.

Отпуск обычно является окончательной операцией термической обработки и проводится после закалки с целью снятия внутренних напряжений в детали и уменьшения ее хрупкости.

Для изменения структуры, химического состава, а, значит, и свойств поверхностных слоев деталей применяется химико-термическая обработка, сочетающая термическое и химическое воздействия.

Технологический процесс химико-термической обработки основан на явлении диффузии, т.е. проникновении в поверхностные слои материала атомов различных элементов, образующих с этими поверхностными слоями химические соединения или растворяющихся в них.

При проведении химико-термической обработки детали нагревают в среде, содержащей тот элемент, которым проводится насыщение. Выдержка при нагреве должна быть достаточной для того, чтобы атомы насыщающего элемента проникли в материал на нужную глубину. Таким образом, химико-термическая обработка является одним из распространенных методов поверхностного упрочнения деталей.

Основными видами химико-термической обработки являются:

Цементация (науглероживание) – насыщение поверхности стальных деталей углеродом.

Цель цементирования - повышение твердости и прочности поверхностного слоя при сохранении пластичной сердцевины. Цементация проводится в твердых, жидких и газообразных углеродсодержащих средах, называемых карбюризаторами и длится до 2-6 часов в зависимости от требуемой толщины слоя, насыщенного углеродом.

Азотирование – диффузионное насыщение поверхности стальной заготовки азотом.

Цель азотирования – повышение твердости, износостойкости и коррозионной стойкости поверхностного слоя. Азотирование проводится в специальных герметически закрытых печах в атмосфере аммиака и длится до 90 часов.

Цианирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом. Совместная диффузия углерода и азота происходит быстрее, чем каждого из этих элементов в отдельности.

Диффузионная металлизация – насыщение поверхности стальных деталей металлами и другими элементами (алюминием, хромом, кремнием, бором и др.).

Цель металлизации – упрочнение поверхностного слоя, повышение его износостойкости, коррозионной стойкости, придание ему особых физико-химических свойств.

Оборудование термических цехов подразделяется на следующие группы:

· основное: для выполнения операций термической и химико-термической обработки, связанных с нагревом и охлаждением деталей (термические печи, печи-ванны, устройства нагрева токами высокой частоты, охлаждающие устройства, установки для обработки холодом, закалочные машины и баки);

· дополнительное: для правки и очистки деталей (правильные прессы и машины, травильные ванные, дробеструйные и пескоструйные установки, моечные машины и т.д.);

· вспомогательное: средства механизации и подъемно-транспортное оборудование (подъемники, толкатели, краны, тали, электротельферы, рольганги, транспортеры, различного типа конвейеры и т.д.), вентиляторы, воздуходувки и др.